功率场效应管在驱动电路中的应用优秀课件.ppt

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1、功率场效应管在驱动电路中的应用第1页，本讲稿共20页等离子电视（等离子电视（PDP）是利用惰性气体放电产生的真空紫）是利用惰性气体放电产生的真空紫外线外线VUV，激发低能荧光粉发光来实现彩色图像显示的。，激发低能荧光粉发光来实现彩色图像显示的。PDP工作需要驱动电路产生高压脉冲来驱动屏体电极。工作需要驱动电路产生高压脉冲来驱动屏体电极。PDP驱驱动电路中存在大量的功率开关器件，并要求功率开关器件有极动电路中存在大量的功率开关器件，并要求功率开关器件有极快的开关速度（包括由导通转向截止的过渡时间快的开关速度（包括由导通转向截止的过渡时间Toff，和由截，和由截止转向导通的过渡时间止转向导通的过渡

2、时间Ton），以及大电流、高耐压的要求。），以及大电流、高耐压的要求。0V176V350V-70VPDP部分高压驱动波形第2页，本讲稿共20页场效应管（场效应管（MOSFET）由于具有如下优点而广泛应用于）由于具有如下优点而广泛应用于PDP驱动电路中，这些优点主要是：驱动电路中，这些优点主要是：（1）场效应管是多数载流子导电，不存在少数载流子的）场效应管是多数载流子导电，不存在少数载流子的存储效应，从而有较高的开关速度。存储效应，从而有较高的开关速度。（2）具有较宽的安全工作区而不会产生热点和二次击穿，同）具有较宽的安全工作区而不会产生热点和二次击穿，同时它具有正的温度系数，容易并联使用，可以

3、解决大电流问题。时它具有正的温度系数，容易并联使用，可以解决大电流问题。（3）具有较高的开启电压，即阈值电压，因此具有较）具有较高的开启电压，即阈值电压，因此具有较高的噪声容限和抗干扰能力，给电路设计和调试带来很大的高的噪声容限和抗干扰能力，给电路设计和调试带来很大的方便。方便。（4）由于它是电压控制器件，具有很高的输入阻抗，）由于它是电压控制器件，具有很高的输入阻抗，因此驱动功率小，而且驱动电路简单。因此驱动功率小，而且驱动电路简单。可见，这些优点是双极晶体管不具备的。可见，这些优点是双极晶体管不具备的。可见，这些优点是双极晶体管不具备的。可见，这些优点是双极晶体管不具备的。第3页，本讲稿共

4、20页PDP驱动电路是一种高压开关电路，电压幅值负几十驱动电路是一种高压开关电路，电压幅值负几十伏到正几百伏左右，工作频率伏到正几百伏左右，工作频率100233kHz，驱动电路的，驱动电路的设计选型对设计选型对PDP的画面质量尤为重要。的画面质量尤为重要。在基于在基于“开关开关”的驱动电路设计完成后，需要解决两个的驱动电路设计完成后，需要解决两个问题：问题：一是选择合适的一是选择合适的一是选择合适的一是选择合适的MOSMOS管替代驱动电路中的管替代驱动电路中的管替代驱动电路中的管替代驱动电路中的“开关开关开关开关”，二是进行，二是进行，二是进行，二是进行MOSMOS管的栅极驱动电路设计。管的栅

5、极驱动电路设计。管的栅极驱动电路设计。管的栅极驱动电路设计。K1Us基于“开关”的电路基于“MOS管”的电路UsK2K3M1M2M3M4说明：说明：K3是是“双向双向”开关，用开关，用2只只N型型MOS管实现。另外，管实现。另外，PDP驱动驱动电路中，大多选用性价比高的电路中，大多选用性价比高的N型型MOS管。管。第4页，本讲稿共20页MOS管的选型就是选择参数合适的管的选型就是选择参数合适的MOS管，使驱动电路能管，使驱动电路能够高效率、稳定地工作，且寿命满足要求。简单地说，就是要求够高效率、稳定地工作，且寿命满足要求。简单地说，就是要求MOS管的过渡过程要足够快，以便减少开关损耗；导通管的

6、过渡过程要足够快，以便减少开关损耗；导通电阻足够小，以便减少导通损耗；关断电阻足够大，以电阻足够小，以便减少导通损耗；关断电阻足够大，以便提高隔离作用，同时兼顾成本因素。便提高隔离作用，同时兼顾成本因素。一、一、MOS管的选型管的选型第5页，本讲稿共20页（1）耐压BVdss(V)（2）最大直流漏电流Id(A)（3）漏源导通电阻Rds(on)(或m)（4）漏极功耗Pd(W)（5）输入电容Ciss(pF)（6）上升时间tr(ns)导通时间ton(ns)下降时间tf(ns)关断时间toff(ns)反向恢复时间trr(ns)（7）栅极总电荷Qg(nC)（8）沟道温度Tch（）结温度Tj（）（9）微分

7、电压dv/dt(V/ns)（10）热阻Rthck(K/W)MOSMOS管的参数很多，达几十个，下面给出了一些设计管的参数很多，达几十个，下面给出了一些设计管的参数很多，达几十个，下面给出了一些设计管的参数很多，达几十个，下面给出了一些设计中要重点考虑的参数，括号内为常用单位：中要重点考虑的参数，括号内为常用单位：中要重点考虑的参数，括号内为常用单位：中要重点考虑的参数，括号内为常用单位：第6页，本讲稿共20页在在PDP驱动电路设计中，在驱动电路设计中，在Vdss、Id、Pd等满足要求等满足要求的前提下，的前提下，Rds(on)、trr、Ciss、Qg参数要认真考虑，参数要认真考虑，Rds(on

8、)为导通电阻，低的导通电阻有助于减少导通损耗，为导通电阻，低的导通电阻有助于减少导通损耗，特别是与特别是与“能量回收电路能量回收电路”相关的相关的MOS管（图中的管（图中的M1、M2、M3、M4），低的导通电阻有助于提高能量回收的效率，），低的导通电阻有助于提高能量回收的效率，降低降低PDP的功耗。的功耗。UsM1M2M3M4LXCsCp第7页，本讲稿共20页trr、Ciss、Qg参数影响参数影响MOS管的开关速度，低的参数管的开关速度，低的参数值能够加快值能够加快MOS管的转换过程，有助于减少管的转换过程，有助于减少MOS管的开管的开关损耗。另外，低的关损耗。另外，低的Ciss和和Qg参数，

9、能够减少参数，能够减少MOS管栅极的管栅极的驱动功率，简化栅极驱动电路的设计。驱动功率，简化栅极驱动电路的设计。第8页，本讲稿共20页MOS管存在两种转换过程：管存在两种转换过程：一是导通转换过程，二是关断转一是导通转换过程，二是关断转换过程。换过程。右图为右图为MOS管导通转换过管导通转换过程的示意图，导通转换过程分程的示意图，导通转换过程分为为4个区间，个区间，Vgst曲线是单调曲线是单调递增的，对应于递增的，对应于MOS管栅极电管栅极电容的充电过程，区间容的充电过程，区间的平台是的平台是由于由于MOS管的密勒电容引起的。管的密勒电容引起的。可以看出，区间可以看出，区间和和的电压与的电压与

10、电流重叠，是电流重叠，是MOS管导通过程功管导通过程功耗最大的区域。耗最大的区域。IdVdstVgstVth二、二、MOS管的栅极驱动电路设计。管的栅极驱动电路设计。(a)导通过程，栅极电压导通过程，栅极电压Vgs-t曲线曲线(b)导通过程，漏源电压导通过程，漏源电压Vds与漏极电流与漏极电流Id的变化的变化 第9页，本讲稿共20页关断转换过程也分为关断转换过程也分为4个区间，个区间，Vgst曲线是单调递减的，对曲线是单调递减的，对应于应于MOS管栅极电容的放电过程，管栅极电容的放电过程，区间区间的平台也是由于的平台也是由于MOS管管的密勒电容引起的。可以看出，的密勒电容引起的。可以看出，区间

11、区间和和的电压与电流重叠，的电压与电流重叠，是是MOS管关断过程功耗最大的管关断过程功耗最大的区域。区域。(c)关断过程，栅极电压关断过程，栅极电压Vgs-t曲线曲线(d)关断过程，漏源电压关断过程，漏源电压Vds与漏极电流与漏极电流Id的变化的变化 IdVdsttVgsVth第10页，本讲稿共20页通过以上对通过以上对MOS管转换过程的分析，得出对管转换过程的分析，得出对MOS管栅极管栅极驱动电路的要求：驱动电路的要求：（1）栅极驱动电路的延迟时间要小，有助于减少栅压）栅极驱动电路的延迟时间要小，有助于减少栅压Vgs的上升时间。的上升时间。（2）栅极驱动电路的输出峰值电流要大，大的峰值）栅极

12、驱动电路的输出峰值电流要大，大的峰值电流可以大大缩短密勒电容的充放电时间，从而缩短平台电流可以大大缩短密勒电容的充放电时间，从而缩短平台的持续时间。的持续时间。（3）栅极驱动电压的变化率）栅极驱动电压的变化率dv/dt要大，以便缩短栅压要大，以便缩短栅压Vgs的上升或下降时间。的上升或下降时间。满足上述要求的栅极驱动电路，能够加快满足上述要求的栅极驱动电路，能够加快MOS管的转换过管的转换过程，减少电压程，减少电压Vds与电流与电流Id的重叠区域，有助于减少的重叠区域，有助于减少MOS管的开关损耗。也就是说，管的开关损耗。也就是说，栅极驱动电路是影响栅极驱动电路是影响栅极驱动电路是影响栅极驱动

13、电路是影响MOSMOS开关损耗开关损耗开关损耗开关损耗的外界因素，而性能优良的的外界因素，而性能优良的的外界因素，而性能优良的的外界因素，而性能优良的MOSMOS是获得是获得是获得是获得低开关损耗低开关损耗低开关损耗低开关损耗和和和和导通损导通损导通损导通损耗耗耗耗的内在因素。的内在因素。的内在因素。的内在因素。第11页，本讲稿共20页理想的栅极驱动器是理想的栅极驱动器是高速开关高速开关高速开关高速开关和和高峰值电流高峰值电流高峰值电流高峰值电流两者的两者的结合，而高性能的结合，而高性能的MOS管，能够减少对栅极驱动器的要管，能够减少对栅极驱动器的要求，简化栅极驱动电路的设计，优良的栅极驱动电

14、路与求，简化栅极驱动电路的设计，优良的栅极驱动电路与高性能的高性能的MOS管相结合，才能制作出高性能的管相结合，才能制作出高性能的PDP驱动电路。驱动电路。目前，栅极驱动电路有现成的专用目前，栅极驱动电路有现成的专用IC（栅极驱动（栅极驱动器），如器），如IR产的产的IR2110S、IXYS产的产的IX6R11S3等。等。第12页，本讲稿共20页IR2110是一种高耐压、高速率的双通道是一种高耐压、高速率的双通道MOS管栅极驱管栅极驱动器，对动器，对MOS管驱动时外围电路十分简单，其典型应用电管驱动时外围电路十分简单，其典型应用电路如图所示。路如图所示。Us第13页，本讲稿共20页IR2110

15、S的峰值输出电流为的峰值输出电流为2安，对于需要更大峰值输出安，对于需要更大峰值输出电流的场合，可以在电流的场合，可以在IR2110S与与MOS管之间加一级功率驱动，管之间加一级功率驱动，功率驱动使用功率驱动使用1只或只或2只中功率双极晶体管作电流放大。只中功率双极晶体管作电流放大。另外，也可采用另外，也可采用IX6R11S3，它也是一种高耐压、高速率的双通，它也是一种高耐压、高速率的双通道道MOS管栅极驱动器，其峰值输出电流达管栅极驱动器，其峰值输出电流达6安，是安，是IR2110S的的3倍，倍，当然其价格也比当然其价格也比IR2110S高得多。高得多。第14页，本讲稿共20页IR2110S

16、和和IX6R11S3都有一个限制，就是浮动通道的地都有一个限制，就是浮动通道的地VS相对于相对于VB不能为负高压，而在不能为负高压，而在PDP驱动电路中存在负高压驱动电路中存在负高压的场合，这时，需要对的场合，这时，需要对IR2110S进行隔离。与负高压连接的进行隔离。与负高压连接的MOS管，其栅极驱动电路可采用光耦进行设计。光耦的输出峰值管，其栅极驱动电路可采用光耦进行设计。光耦的输出峰值电流一般较小电流一般较小(0.4A)，需加入一级功率驱动。，需加入一级功率驱动。随着随着PDP尺寸的增加，尺寸的增加，PDP驱动电路的输出功率也增驱动电路的输出功率也增加，对加，对MOS管的漏极电流管的漏极

17、电流Id的要求超过的要求超过100A，要达到这样的输，要达到这样的输出能力，需要多只出能力，需要多只MOS管并联使用，以提高管并联使用，以提高PDP驱动电路的驱动电路的驱动电流和驱动功率。由于驱动电流和驱动功率。由于MOS管是电压控制型器件，多只管是电压控制型器件，多只MOS管并联使用时，其栅极驱动电路几乎不用改变。管并联使用时，其栅极驱动电路几乎不用改变。第15页，本讲稿共20页介绍两种基本的介绍两种基本的PDP驱动电路驱动电路基本的方波产生电路。基本的方波产生电路。基本的方波产生电路。基本的方波产生电路。Vs0VVo过渡期S1VsS2M2M1VoR1R2D2D1S1S2第16页，本讲稿共2

18、0页基本的斜波产生电路。基本的斜波产生电路。基本的斜波产生电路。基本的斜波产生电路。D3R2R3VsM3D5D1D2M4C1R4D6VoVo0VVst1t2 t3S3t0t4S3S4S4R1D4过渡期第17页，本讲稿共20页最后，对最后，对MOS管及栅极驱动器在管及栅极驱动器在PDP驱动电路中的应用驱动电路中的应用作一些总结：作一些总结：（1）在）在Vdss、Id、Pd等参数满足要求的前提下，等参数满足要求的前提下，Rds(on)、trr、Ciss、Qg等参数对减少等参数对减少MOS管的导通损耗和开管的导通损耗和开关损耗至关重要。关损耗至关重要。（2）栅极驱动器起着电平转换和隔离作用，栅极驱动

19、）栅极驱动器起着电平转换和隔离作用，栅极驱动电路至少能提供电路至少能提供2A以上的峰值输出电流，还要有高速的电压变以上的峰值输出电流，还要有高速的电压变化率（化率（dv/dt）。）。第18页，本讲稿共20页康佳在康佳在PDP驱动电路设计中，大部分驱动电路设计中，大部分MOS管为管为IXYS生生产的功率产的功率MOS管，关键的管，关键的MOS管选用管选用PloarHT 技术生产的技术生产的MOS管，它是管，它是IXYS公司最新推出的场效应管公司最新推出的场效应管,IXYS以其以其专利的晶胞设计和独特的工艺专利的晶胞设计和独特的工艺,革命性的提高了场效应管革命性的提高了场效应管的处理能力的处理能力,使用户能设计出更高效的电子产品。使用户能设计出更高效的电子产品。由于使用了革命性的晶胞设计由于使用了革命性的晶胞设计,使相同面积的芯片导通电使相同面积的芯片导通电阻阻(Rdson)大幅降低（大幅降低（30%）,同时并不增加栅极电容同时并不增加栅极电容(Qg),且保且保持高持高dv/dt特性。特性。从而使用此系列的场效应管处理电流的能力从而使用此系列的场效应管处理电流的能力大幅提升大幅提升,更容易被高效驱动且热阻大大降低。更容易被高效驱动且热阻大大降低。tm第19页，本讲稿共20页谢谢！谢谢！第20页，本讲稿共20页